Os原子MS計(jì)算模擬報(bào)告

計(jì)算材料物理》上機(jī)報(bào)告Os結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的GGA/LDA+（泛函形式例如

PBE、RPBE等）法計(jì)算模擬學(xué)院（系）： 材料科學(xué)與工程年級(jí)專業(yè)： 2011級(jí)材料物理學(xué)號(hào)： 110102030021學(xué)生姓名： 郭霖 指導(dǎo)教師： 向建勇 2014年6月16日一?實(shí)驗(yàn)題目：《Os元素的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與能量?jī)?yōu)化》二．緒言鋨是金屬單質(zhì)中密度最大的，熔點(diǎn)3045°C,沸點(diǎn)5300°C以上。六方密集晶格?；宜{(lán)色金屬，硬而脆。金屬鋨極脆，放在鐵臼里搗，就會(huì)很容易地變成粉末，鋨粉呈藍(lán)黑色。鋨的蒸氣有劇毒，會(huì)強(qiáng)烈地刺激人眼的粘膜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成失明。金屬鋨在空氣中十分穩(wěn)定，鋨金屬粉末可自燃，粉末狀的鋨易氧化鋨在工業(yè)中可以用做催化劑。CASTEP最先由英國(guó)劍橋大學(xué)凝聚態(tài)理論小組開(kāi)發(fā)，它采用密度泛函理論模擬很大一類材料固體、界面和表面的性質(zhì)。CASTEP基于總能量的平面波贋勢(shì)理論，運(yùn)用原子數(shù)目和種類來(lái)預(yù)測(cè)包括晶格參數(shù)、分子對(duì)稱性、結(jié)構(gòu)性質(zhì)、能帶結(jié)構(gòu)、固態(tài)密度、電荷密度和波函數(shù)、光學(xué)性質(zhì)。高效并行版本可以模擬包含數(shù)百原子的大系統(tǒng)。本文基于第一性原理，利用CASTEP進(jìn)行模擬計(jì)算給出了Os的優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)和能態(tài)密度以及一些光學(xué)性質(zhì)，并且計(jì)算了加壓后一些性質(zhì)的變化情況。三?實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)、掌握用MS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算了解CASTEP模塊所使用的函數(shù)模型掌握使用CASTEP模塊進(jìn)行計(jì)算的方法了解過(guò)渡金屬Os的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及某些性能四．計(jì)算內(nèi)容：1.計(jì)算材料：金屬材料Os2?計(jì)算方法：GGA、PBE五．計(jì)算結(jié)果介紹及結(jié)論：計(jì)算過(guò)程：(1)生成Projects運(yùn)行MaterialVisualizer創(chuàng)建新的Project(在D盤(pán)中創(chuàng)建名為guolin的Project)(2)建立模型a.點(diǎn)擊工具欄上的build,選擇buildcrystal,輸入Os的空間群和晶格常數(shù)，空間群194，晶胞參數(shù)a=273.44pm，b=273.44pm，c=431.73pm，a=90°,p=90°,y=120°b.點(diǎn)擊build,選擇addatoms,添加Os原子，a=1/3,b=2/3,c=1/4.（3） 對(duì)Os進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化打開(kāi)Calculation,選擇GeometryOptinization進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。用CASTEP進(jìn)行計(jì)算,CASTAP幾何優(yōu)化任務(wù)允許改善結(jié)構(gòu)的幾何,獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。通過(guò)一個(gè)迭代過(guò)程來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù),迭代過(guò)程中調(diào)整原子坐標(biāo)和晶胞參數(shù)使結(jié)構(gòu)的總能量最小化。（4） 對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的Os進(jìn)行X射線衍射打開(kāi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的Os結(jié)構(gòu)模型,點(diǎn)擊ReflexTools按鈕,選擇PowderDiffraction,并調(diào)整20（5度-90度）角及其他相關(guān)參數(shù)。（5） 對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的Os進(jìn)行X射線衍射打開(kāi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的Os結(jié)構(gòu)模型,點(diǎn)擊ReflexTools按鈕,選擇PowderDiffraction,并調(diào)整20（5度-90度）角及其他相關(guān)參數(shù)（6） 對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后Sb的進(jìn)行能量?jī)?yōu)化打開(kāi)Calculation對(duì)話框,選擇Energy進(jìn)行能量?jī)?yōu)化（7）能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度計(jì)算在Calculation對(duì)話框中選擇Opticalproperties（對(duì)Function中的6個(gè)選項(xiàng)分別進(jìn)行計(jì)算），選擇BandStTUCture和DensityofStates進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果a?結(jié)構(gòu)的優(yōu)化前后對(duì)比（如圖）

圖.優(yōu)化前 圖.優(yōu)化后優(yōu)化前：晶格常數(shù)a=b=2.735000A,c=4.319000A夾角a=p=90°,y=120°優(yōu)化后：晶格常數(shù)a=b=2.887967A,c=4.522570A夾角a=p=90°,y=120°Currentcellvolume（晶胞體積）=32.666346A**3FinalEnthalpy（焓）=-5.05120166E+003eVFinalbulkmodulus（體彈模量）二65.89919GPa可以看出，優(yōu)化前后晶胞參數(shù)有明顯改變，說(shuō)明原來(lái)建立晶胞時(shí)的參數(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化。b.優(yōu)化后Os的X射線衍射圖譜（如圖）圖?優(yōu)化前Os的X射線衍射圖譜由圖中可以看出明顯的衍射峰，沒(méi)有寬化，表明晶體結(jié)構(gòu)的完整性。c.能量?jī)?yōu)化后Os的能帶圖（如圖）(A3)臺(tái)」2匸山■ODD21>2MCD」CDU山圖.能量?jī)?yōu)化后ISb圖.能量?jī)?yōu)化后ISb的能帶IQ.80.4 0.6Q.8純Os金屬，具有六方晶格結(jié)構(gòu)。從上圖能帶圖中可以看出：能帶之間在費(fèi)米面附近有交疊，這就使它有了導(dǎo)電性，但是，也可以從能帶圖中看出其能帶交疊，但不是很多，則其對(duì)導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的載流子數(shù)略小于普通的金屬。d.能量?jī)?yōu)化后Sb的態(tài)密度圖（如圖）ta

totooooooo654321(CAucl」-tJQJ-CD)UD(D4CDls」口」QJqEunN-1QQ -80圖.總態(tài)密度DOS 0 20 40-1QQ -80II 1呂I■>心/suo」4ocd-cdcd￡es凸而ucdo書(shū)0■>心/suo」4ocd-cdcd￡es凸而ucdo書(shū)0-4Q -2002Qmupdfs-1QQ -BQ40Energy(ev)-101020'420: Energy(ev)圖?分波態(tài)密度PDOS從上圖中可以看出：有分波DOS跨過(guò)費(fèi)米能級(jí)，費(fèi)米面附近有電子能級(jí)分布，貝U該體系是金屬。從圖中亦可以看出，主要是sum軌道和d軌道中的電子對(duì)Os的導(dǎo)電性做貢獻(xiàn)。e.反射率2?>一102?>一100怎」osc1.o.ilosc1.o.il3QQ 40Q 5QG 6QG 7GG 3GQWavelength(nm)圖.反射率反射率為物體表面的反射通量與入射通量之比，它是對(duì)某一特定波長(zhǎng)而言，如涉及的是一個(gè)較寬的譜段，則稱之為“反照率”鋨的紫外線反射率很高，；可見(jiàn)光范圍內(nèi)，反射率在550-600范圍內(nèi)波峰最高，則黃光反射率最高。f?介電函數(shù)| |Re(Epsilon)100-c.2lounLLo一」loo-Q-u2Q4Q 6Q SO100-c.2lounLLo一」loo-Q-u2Q4Q 6Q SOFrequency(ev)10Q 12G|Re(Epsilon)Im(Epsilon)1.Q 1.5 2.Q 2.5 10 S.5 4.QFrequencyfev)|Re(Epsilon)Im(Epsilon)1.Q 1.5 2.Q 2.5 10 S.5 4.QFrequencyfev)u.24UIJnLJO=4?2O圖.介電函數(shù)介電函數(shù)作為溝通帶間躍遷微觀物理過(guò)程和固體電子結(jié)構(gòu)的橋梁，可以反映出固體能帶結(jié)構(gòu)及其他各種光譜信息。電磁波在介質(zhì)中傳播，當(dāng)需要考慮吸收的影響時(shí)，介電常數(shù)要用復(fù)數(shù)來(lái)描述。介電函數(shù)的實(shí)部為介電常數(shù)，虛部為損耗因子。g?導(dǎo)電性|IRe(Conductivity) Im(Conductivity)(型二)E>右npucjo20SQ 1QQ 120(型二)E>右npucjo20SQ 1QQ 120Frequency(ev)電導(dǎo)率在介質(zhì)中該量與電場(chǎng)強(qiáng)度之積等于傳到電流密度。對(duì)于各向同性介質(zhì)，電導(dǎo)率是標(biāo)量；對(duì)于各向異性介質(zhì)，電導(dǎo)率是張量。在可見(jiàn)光能量范圍內(nèi)導(dǎo)電性能變化波動(dòng)較大。損耗函數(shù)

損失函數(shù)描述了當(dāng)電子快速通過(guò)材料時(shí)能量的損失。由圖可以看出，在可見(jiàn)光的能量為3.25ev處，光的損失率達(dá)到最大。可見(jiàn)光吸收AbsorptionAbsorption400000400 600 3QOWavelength(nm)圖?可見(jiàn)光吸收由圖對(duì)比可以看出吸收率整體降低。通過(guò)與反射圖譜的比較，可以看出吸收率與反射率的趨向大體上是一致的。符合如果一種固體強(qiáng)烈地吸收某一光譜范圍的光，它就能有效的反射在同一光譜范圍內(nèi)的光的理論。折射率xopu-Q>loe」4oCL-1QQQQ1xopu-Q>loe」4oCL-1QQQQ1QOO2000 30Q0 4000 5000 6000 7000 8000Wavelength(nm)xopu-Q>locJ=QQrxopu-Q>locJ=QQr圖.折射率折射率表示光在真空中的相對(duì)速度與光在介質(zhì)中的相對(duì)速度之比值，同一單色光在不同介質(zhì)中傳播，頻率不變而波長(zhǎng)不同。以A表示光在真空中的波長(zhǎng)，n表示介質(zhì)的折射率，則光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)入’為：入’二入/n。折射率實(shí)部表示該物質(zhì)的色散性質(zhì)，虛部表示該物質(zhì)的吸收性質(zhì)。3?結(jié)論用MS中的CASTEP模塊研究Os,先進(jìn)行了晶胞結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行能量?jī)?yōu)化，再研究的能帶結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)。得到Os的X射線衍射圖譜，能帶結(jié)構(gòu)和能態(tài)密度以及光學(xué)性質(zhì)中的反射率，吸收率，折射率，介電常數(shù)，導(dǎo)電率和損失常數(shù)。計(jì)算表明優(yōu)化后的晶格常數(shù)和能量沒(méi)有十分明顯的變化；鋨為過(guò)渡金屬，雖具有導(dǎo)電性，但比較普通金屬較弱；鋨的紫外線反射率很高；可見(jiàn)光中黃光反射率最高。六.參考文獻(xiàn)1?黃昆韓汝琦《固體物理學(xué)》高等教育出版社1988年版110-115及437-452《計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)》張悅等2007.6北京航空航天大學(xué)出版社MScastep高級(jí)教程能帶中部分概念的理解小結(jié)(量子化學(xué)網(wǎng))能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖的繪制及初步分析王富恥《材料近代分析方法》2006年03月北京理工大學(xué)出版社7?儀器信息網(wǎng)網(wǎng)文(/zc/xrf.asp)8.八Antonov,V.E.;Belash,I.T.;Malyshev,V.Yu.;Ponyatovsky,E.G.TheSolubilityofHydrogeninthePlatinumMetalsunderHighPressure.PlatinumMetalsRevie.1984